[導讀] 介紹了一種實用化實時測溫系統。該系統采用了PIN硅光電二極管作光接收器件,由光學接收系統、信號放大與處理系統及顯示系統三部分組成。從系統的相對測溫靈敏度及探測器的溫度分辨率與波長間的關系出發,結合大氣對紅外輻射的透射特性,確定了系統的工作波長;從系統的抗反射輻射能力出發,并結合探測器的最小可探測光功率要求,確定了系統的波長帶寬。從輻射能P1、P2的測量不確定度出發,討論了待測目標的發射率及溫度的測量精度。結果表明,當λ=0·80μm、Δλ=20 nm時,在測溫范圍600~2 500℃內,系統的測溫不確定度
1 引 言
輻射測溫法分為主動式輻射測溫法和被動式輻射測溫法兩類[1,2]。在主動式輻射測溫法中,由于使用了激光源或紅外源作為輔助測量光源[3~5],因而都能實時測出待測目標的溫度,且都具有較高的精度。被動式輻射測溫法又可分為單波長、雙波長及多波長輻射測溫法三種[6,7]。由于目前的單波長或雙波長輻射測溫法不能測出待測目標的發射率,因而往往都有較大的測溫誤差。本文所述的測溫儀器采用了PIN硅光電二極管作光電轉換器件。由于使用了反射鏡與之配合,因而可以“被動地”同時實現發射率及溫度的測量,且具有較高的測量精度。
2 儀器結構與測溫原理
2·1 測量原理
如圖1所示,反射鏡與探測器對稱地置于待測表面法線的兩側。當反射鏡不起作用時,探測器接收到的輻射能P1為
式中:D為光瞳口徑,f′為光學接收系統的焦距,τ0為大氣的傳播系數,A為探測器的靈敏元面積,η為調制盤的調制系數,ελ為溫度為T的待測目標在波長λ處的發射率,Lλ為溫度為T的黑體在波長λ處的輻射出射度,τλ為光學系統對波長為λ的光的總透過率。
當反射鏡起作用時,反射鏡將紅外輻射反射回待測區域的單色輻射能為
并結合式(1)或式(2),即可求出待測表面的溫度。式(6)中,h為Planck常數,k為Boltzmann常數,c為光速。
2·2 儀器結構
該儀器主要由光學接收系統、信號放大與處理系統及顯示系統三部分組成。工作時,接收鏡頭接收到的光信號(P1、P2),經窄帶干涉濾光片濾光后,再經由PIN硅光電二極管構成的光電轉換系統轉換成電信號。該信號經前置放大、選頻放大、脈寬壓縮、模-數轉換后送入8031單片機系統進行數據處理,計算出待測表面的發射率及溫度。
電路中所需的各種觸發與同步信號,均由同步光電系統產生:透過調制盤上鑲嵌的同步濾光片的光信號,先經光電轉換系統轉變成電信號,再經整形放大后送入8031單片機,適當延時后分別去觸發、同步各個需要觸發和同步的信號。
調制盤的結構簡圖見圖2。其中1、2、4號窗口貼的是波長為0·80μm的窄帶干涉濾光片(帶寬20nm)。3號窗口貼的是波長為1·00μm的濾光片,帶寬約0·1μm(無嚴格要求)。5、6號窗口貼的是波長為1·00μm的濾光片(帶寬也無嚴格要求)。調制盤的轉速為1 200 r/min。
調制盤的具體調制情況如下:(1)當待測表面的光輻射透過3號窗口到達反射鏡、并由反射鏡反射后再次穿過3號濾光片回到待測區域時,1號窗口正對探測器。對于這種情況,反射鏡不起作用。這是因為透過3號濾光片后又回到待測區域的光的中心波長為1·00μm,帶寬約0·1μm。而1號窗口只能通過中心波長為0·80μm、帶寬僅20 nm的光,因此探測器接收到的僅是“直射”能(P1);此時,由5號窗口透過的光輻射形成觸發、同步信號;(2)當待測表面的光輻射透過4號窗口到達反射鏡、并由反射鏡反射后再次穿過4號窗口回到待測區域時,2號窗口正對探測器。對于這種情況,反射鏡起作用。探測器接收到的是“直射”能與“反射”能之和(P2);此時,由6號窗口透過的光輻射形成觸發、同步信號;(3)當待測表面的光輻射透過1號窗口到達反射鏡時,3號窗口正對探測器。情況與(1)類似,不同的只是探測器接收到的是波長為1·00μm的光輻射。后續電路雖對該信號進行放大處理,但因模-數轉換電路沒有觸發信號和同步信號,因此不對其進行模-數轉換;(4)當待測表面的光輻射透過2號窗口到達反射鏡時,4號窗口正對探測器。情況與(3)類似,不同的只是探測器接收到的是波長為0·80μm的光輻射。后續電路雖對該信號進行放大處理,但同樣因模-數轉換電路沒有觸發信號和同步信號,故不對其進行模-數轉換。
3 討論
3·1 基于探測器的相對測溫靈敏度的考慮
待測溫度每變化1 K時,信號電平的變化量(本文即P1或P2的變化量)稱為系統的溫度靈敏度S[8,9]。即
不失一般性,同時也為簡單起見,以反射鏡不起作用時的情況(P1)為例進行討論。此時探測器輸出的電信號的強度V(T)可寫成[8,9]
由式(12)作出的Sr~λT曲線如圖3所示。由圖3可以導出,在λT=2 898μm·K附近,系統正好工作在Sr~λT曲線的峰值區域。這就是說,對PIN硅光電二極管而言,只要待測溫度不高于T≈2 898/1·1=2 634 K,探測器的輸出信號就處于靈敏區域。亦即,只要被測溫度有微小的變動,就能引起Sr較大的變化。顯見,采用PIN硅光電二極管作光接收器件,肯定能滿足測溫范圍的高溫段對測溫靈敏度的要求。
3·2 基于探測器的溫度分辨率的考慮
據式(1),在極窄的波段內,當待測溫度改變ΔT時,容易導出系統接收到的輻射能的變化
時,才能引起探測器的響應。式中,VS/VN為信噪比,在推算系統的溫度分辨率時,取VS/VN=1;Δf為后續的選頻放大器的帶寬。將式(6)、式(13)、式(14)及式(15)代入式(16)中,并考慮極限情況,可以導出
上式中的ΔT即為探頭的溫度分辨率。
下面進行定量分析。對于實際的測量環境,取大氣的衰減系數τ0=0·85,光學系統對光的總透過率τλ=0·50,調制盤的調制系數η=0·80、PIN光電二極管的探測率D*=5·0×1012cm·Hz1/2·W-1、靈敏元面積A=5 mm×5 mm[10],選頻放大器的帶寬Δf=10Hz,光學系統的焦距f′=15 cm,通光口徑D=10 cm。為分析上的方便,同時也不失一般性,取ελ=0·50、Δλ=20 nm代入計算。在不同的待測溫度下,由式(17)作出的探測器的溫度分辨率隨波長的變化曲線,如圖4所示。
由圖4顯見:(1)探測器的溫度分辨率隨系統工作波長的增加而變高。例如,對于T=773 K而言,λ=0·60μm時,系統的溫度分辨力ΔT=1·662 K,顯然不符合要求。但當λ=0·80μm時,ΔT=0·004 K,顯然符合要求;(2)當待測溫度足夠高時,例如待測溫度T=923 K,λ≥0·70μm的波長都能滿足要求。
3·3 基于抑制光路中選擇性吸收氣體吸收影響的考慮
按3·1節要求,系統的工作波長越短,則測量的上限溫度就越高;而按3·2節要求,系統的工作波長越長,則測量較低的高溫時其溫度分辨率就越高,因此二者之間必然有一個折衷。一般情況下,進入光路中的粉塵、水蒸汽以及其它一些選擇性吸收氣體如二氧化碳等,都會成為外界干擾而影響到儀器的測溫精度。圖5給出了在0·6~3·0μm內海平面300 m長度的路徑上大氣的透射光譜曲線[11]。結合圖5,考慮到前面得出的結論和PIN硅光電二極管的最小可探測光功率及后面關于測溫精度的分析與討論,本文取系統的工作波長λ1=0·8μm。
順便提及,λ1=0·8μm既符合本儀器的精確測溫下限T=600 K處的PIN硅光電二極管的最小可探測光功率要求,又滿足采用16位A/D轉換器件時的二次儀表測溫靈敏度的要求。進一步的研究還表明,它還能使發射率的測量精度達到最優。
3·4 基于系統抗反射輻射能力的考慮與波長帶寬的優化選擇
探測器接收到的來自待測目標方向的紅外輻射,由待測表面自身的輻射和待測表面對周圍環境輻射的反射這兩部分組成。為討論上的方便,將待測表面的溫度記為T0。其輻射出射度可寫成
使用前面給出的參數值,利用式(1)及式(21),在T0=900 K、Ts=800 K的情況下作出的測溫不確定度隨波長帶寬的變化曲線,如圖6所示。
由圖6顯見,當Δλ≤20 nm時,Ts=800 K的背景輻射對測溫精度幾乎不產生什么影響(由背景輻射帶來的測溫不確定度僅為0·01%)。但當Δλ>20nm時,影響漸增。研究還表明,在更高溫度的背景輻射下,產生可觀測影響的波長帶寬的起點值變小,且隨著波長帶寬的增加,這種影響變得更明顯。結合本節的分析結果和探測器件的最小可探測光功率要求,本文選擇Δλ=20 nm作為系統的波長帶寬。
3·5 測量精度
ελ的標準差極大地影響系統的測溫標準差。由誤差傳遞公式[10],容易導出ελ的標準差
顯見,波長越短,系統的測溫標準差就越小,這是本儀器采用近紅外波長作為工作波長的重要原因之一。使用3·2節中給出的技術參數,以45#鋼作為測量對象,并取γ1=0·75、β=0·60。在測量距離約1 m的情況下,所得P1、P2的相對測量不確定度的典型值為|ΔP1/P1|≈|ΔP2/P2|≈0·5%。由式(19)、式(20)容易算出σελ≈1·7×10-2;對900 K的待測表面而言,計算可得σT≈1·19 K;σTT≈1·32%,這是比較精確的。
4 結 論
本文在研究探頭的溫度分辨率和儀器的相對溫度靈敏度的基礎上,結合光路中選擇性吸收氣體吸收影響的抑制以及考慮探測器的最小可探測光功率,研究了儀器工作波長與波長帶寬的選取。得出實際測溫系統的波長及波長帶寬分別為λ1=0·8μm、Δλ=20 nm時,系統的測溫精度優于0·3%,其測溫靈敏度也滿足實際需要,實驗結果見表1。